Trong công nghiệp để sản xuất nhôm người ta điện phân Al₂O₃ nóng chảy mà không điện phân AlCl₃ nóng chảy là vì

A. Nhôm (Al)

I. Vị trí trong bảng tuần hoàn và cấu hình electron nguyên tử

- Nhôm có số hiệu nguyên tử 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì 3 của bảng tuần hoàn.

- Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹, hay [Ne]3s²3p¹ .

- Nhôm dễ nhường cả 3 electron hóa trị nên có số oxi hóa +3 trong các hợp chất.

II. Tính chất vật lý

- Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nóng chảy ở 660^oC, khá mềm, dễ kéo sợi, dễ dát mỏng.

- Nhôm là kim loại nhẹ (D = 2,7 g/cm³); dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.

Nhôm

III. Tính chất hóa học

Nhôm là kim loại có tính khử mạnh (chỉ sau kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ):

Al  → Al³⁺+ 3e

1. Tác dụng với phi kim

Nhôm khử dễ dàng các phi kim thành ion âm.

- Với oxi: Ở điều kiện thường, nhôm bền trong không khí do có lớp oxit rất mỏng, bền bảo vệ. Khi đốt, bột nhôm cháy trong không khí với ngọn lửa sáng chói, tỏa nhiều nhiệt:

4Al + 3O₂ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ 2Al₂O₃   

Bột nhôm cháy trong không khí

- Bột nhôm tự bốc cháy khi tiếp xúc với clo

2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

2. Tác dụng với axit

- Nhôm khử dễ dàng ion H⁺ trong dung dịch HCl và H₂SO₄ loãng thành H₂.

          2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

- Al tác dụng mạnh với axit HNO₃ loãng, H₂SO₄ đặc, nóng; HNO₃ đặc, nóng.

Ví dụ:

Al + 4HNO_{3 loãng} → Al(NO₃)₃ + NO + H₂O

         2Al  + 6H₂SO_{4 đặc} $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

- Nhôm không tác dụng với axit H₂SO₄ đặc, nguội; HNO₃ đặc, nguội.

3. Tác dụng với oxit kim loại – Phản ứng nhiệt nhôm

- Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều ion kim loại trong oxit như (Fe₂O₃, Cr₂O₃,CuO…) thành kim loại tự do.

- Ví dụ:       

2Al + Fe₂O₃ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ Al₂O₃ + 2Fe.

Phản ứng nhiệt nhôm

4. Tác dụng với nước

- Vật bằng nhôm không tác dụng với H₂O ở bất kì nhiệt độ nào vì có lớp oxit bảo vệ. Nếu phá bỏ lớp bảo vệ, nhôm khử được nước ở nhiệt độ thường, nhưng phản ứng nhanh chóng dừng lại vì tạo kết tủa Al(OH)₃.

5. Tác dụng với dung dịch kiềm

          2Al + 2NaOH + 6H₂O →2Na[(Al(OH)₄] + 3 H₂↑

Phương trình ion thu gọn:

          2Al + 2OH^- + 6H₂O → 2[(Al(OH)₄]^- + 3 H₂↑

Với chương trình cơ bản có thể viết:

          2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3 H₂ ↑

IV. Ứng dụng và trạng thái tự nhiên

1.  Ứng dụng

- Nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm nhẹ, bền đối với không khí và nước nên được dùng làm vật liệu chế tạo tên lửa, máy bay, ô tô, tàu vũ trụ …

- Nhôm và hợp kim của nhôm có màu trắng bạc, đẹp nên dùng để xây dựng nhà cửa, trang trí nội thất.

- Nhôm nhẹ, dẫn điện tốt nên được dùng làm dây dẫn điện.

- Nhôm dẫn điện tốt, ít bị gỉ, không độc nên được dùng làm dụng cụ nhà bếp.

- Bột nhôm trộn với oxit sắt (hỗn hợp tecmit) dùng để hàn đường ray.

2. Trạng thái tự nhiên

- Trong tự nhiên nhôm chỉ tồn tại dưới dạng hợp chất.

- Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 trong vỏ trái đất, sau oxi và silic.

- Hợp chất của nhôm có trong đất sét, mica, boxit, criolit …

Quặng boxit

V. Sản xuất nhôm

Trong công nghiệp nhôm được sản xuất bằng cách điện phân nhôm oxit nóng chảy.

1. Nguyên liệu

Quặng boxit, thành phần chính: Al₂O₃.2H₂O

2. Điện phân nhôm oxit nóng chảy

+ Ở catot (cực âm): Al³⁺ + 3e → Al

+ Ở anot (cực dương): 2O^2- → O₂ + 4e

Phương trình điện phân: 2Al₂O₃ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ 4Al + 3O₂

Sơ đồ thùng điện phân Al₂O₃ nóng chảy

Vai trò của criolit:

+ Giảm nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃.

+ Tăng khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân.

+ Tạo lớp xỉ trên bề mặt, ngăn cản quá trình oxi hóa Al bởi oxi không khí.

B. Một số hợp chất quan trọng của nhôm

I. Nhôm oxit: Al₂O₃

1. Tính chất vật lý

Nhôm oxit là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, không tác dụng với nước, nóng chảy ở nhiệt độ trên 2050^oC.

2. Tính chất hóa học

Nhôm oxit là oxit lưỡng tính, vừa tác dụng với dung dịch axit, vừa tác dụng với dung dịch kiềm.

          Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

3. Ứng dụng

Trong tự nhiên, nhôm oxit tồn tại cả ở dạng ngậm nước và dạng khan.

- Dạng oxit ngậm nước là thành phần chủ yếu của quặng boxit dùng để sản xuất nhôm.

- Dạng oxit khan, có cấu tạo tinh thể là đá quý được dùng làm đồ trang sức, chế tạo đá mài …

- Bột nhôm oxit dùng trong công nghiệp sản xuất chất xúc tác cho tổng hợp hữu cơ.

Mẫu vật saphia

 II. Nhôm hiđroxit: Al(OH)₃

1. Tính chất vật lý

Nhôm oxit là chất rắn, màu trắng, kết tủa ở dạng keo.

2. Tính chất hóa học

+ Dễ bị nhiệt phân thành nhôm oxit:

2Al(OH)₃ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ Al₂O₃ + 3H₂O

+ Là hợp chất lưỡng tính, tan trong axit và bazơ:    

          Al(OH)₃ + 3H⁺ →  Al³⁺ + 3H₂O

          Al(OH)₃ + OH^- → AlO₂^- + 2H₂O

III. Nhôm sunfat (Al₂SO₄)

- Muối nhôm sunfat khan tan trong nước tỏa nhiệt làm dung dịch nóng lên do bị hiđrat hóa.

- Muối nhôm sunfat có nhiều ứng dụng nhất là muối sunfat kép của nhôm và kali ngậm nước gọi là phèn chua, công thức K₂SO₄. Al₂(SO₄)₃. 24H₂O hay viết gọn KAl(SO₄)₂.12H₂O.

- Phèn chua được sử dụng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong nhuộm vải, chất là trong nước…

IV. Cách nhận biết ion Al³⁺ trong dung dịch

Cho từ từ dung dịch NaOH đến dư vào dung dịch thí nghiệm, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong NaOH dư chứng tỏ có Al³⁺:

          Al³⁺ + 3OH^- → Al(OH)₃↓

          Al(OH)₃ ↓ + OH^- dư → AlO₂^- + 2H₂O